基于本體的教學(xué)知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)分析
【論文關(guān)鍵詞】教學(xué)知識(shí)；本體；知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)
【論文摘要】教學(xué)知識(shí)的共享和重用是影響教學(xué)效率的重要因素，文章將本體技術(shù)引入到教學(xué)知識(shí)管理中，通過使用現(xiàn)有的本體編輯工具、描述語(yǔ)言和開發(fā)方法，構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)基于本體的教學(xué)知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)以及其他用戶提供教學(xué)領(lǐng)域知識(shí)的共享模型，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)知識(shí)的共享和重用。
一、本體概述
本體是指對(duì)領(lǐng)域知識(shí)的共享概念模型和明確的形式化規(guī)范說明，它涵蓋了領(lǐng)域中的基本術(shù)語(yǔ)與關(guān)系，并利用這些術(shù)語(yǔ)和關(guān)系構(gòu)成知識(shí)的外延規(guī)則和復(fù)雜定義，是一種能夠提供對(duì)領(lǐng)域知識(shí)的共同理解和共享的知識(shí)表示模型。
本體的定義很多都具有高級(jí)的普遍性，但從數(shù)學(xué)的角度對(duì)本體進(jìn)行精確描述的形式化定義卻很少，因?yàn)樾问交x很難包括所有不同類型的本體。本體的形式化定義是概念化術(shù)語(yǔ)映射到邏輯世界的橋梁，李文杰對(duì)三種應(yīng)用較為普遍的本體形式化定義進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
(一)本體的描述語(yǔ)言與開發(fā)工具
目前構(gòu)建本體的工具很多，以Protege使用最為廣泛。Protege是斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息研究組( Stanford Medical Informatics , SMI)開發(fā)的一個(gè)免費(fèi)、開源的本體工具，它為知識(shí)工作者提供了一個(gè)可以構(gòu)建領(lǐng)域本體的環(huán)境，協(xié)助知識(shí)工程師和領(lǐng)域?qū)＜彝瓿芍R(shí)管理任務(wù)。
本體的實(shí)現(xiàn)依賴于本體標(biāo)記語(yǔ)言的表示功能，OWL ( Ontology Web Language)是W3C推薦標(biāo)準(zhǔn)，能夠清晰表達(dá)概念以及這些概念之間的關(guān)系。本文使用Protege3.3.1做為開發(fā)工具，從形式化表達(dá)能力和推理能力兩方面考慮采用OWL, DL本體描述語(yǔ)言。
(二)本體知識(shí)庫(kù)及其優(yōu)點(diǎn)
張立等對(duì)本體與傳統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的相似點(diǎn)和不同點(diǎn)進(jìn)行了闡述，使用本體建模的方法和相關(guān)知識(shí)表示的標(biāo)準(zhǔn)建立知識(shí)庫(kù)，便于廣大研究者間的交流和協(xié)作。對(duì)計(jì)算機(jī)而言，可以實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域、不同模型之間的跨平臺(tái)的互操作、共享和重用。使用本體作為知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)主要有:
1.可重用性。本體作為某個(gè)領(lǐng)域概念、關(guān)系以及概念間內(nèi)在關(guān)系的形式化表達(dá)，這種表達(dá)可以被共享和重用。
2.智能檢索�；谥R(shí)的、語(yǔ)義上的匹配，在查準(zhǔn)率和查全率上有更好的保證，克服了全文檢索查準(zhǔn)率比較低和數(shù)據(jù)檢索對(duì)用戶要求較高的缺點(diǎn)。
3.可靠性好。領(lǐng)域知識(shí)和模型的形式化表達(dá)便于正確性檢測(cè)，一些已有的本體建模工具已經(jīng)提供了一些相應(yīng)的功能模塊。
4.良好知識(shí)表達(dá)、解析能力。本體能良好地表達(dá)規(guī)范的任務(wù)和知識(shí)，有助于領(lǐng)域知識(shí)的分解和解析，利用本體對(duì)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行建模，可以使相互獨(dú)立的層次有機(jī)地組成一個(gè)完整的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識(shí)的共享和重用，領(lǐng)域知識(shí)條理清楚的形式化便于正確性的檢查，使知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)更加清晰，有利于知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的維護(hù)。
二、教學(xué)知識(shí)本體庫(kù)的構(gòu)建
常用的本體構(gòu)建方法體系有骨架法、評(píng)估法、Bernaras法和Sensus法等，馮志勇等對(duì)幾種本體構(gòu)建方法優(yōu)勢(shì)與不足進(jìn)行了詳細(xì)的比較和說明，本文在參考這幾種方法的基礎(chǔ)上，遵循Gruber提出的5條原則，提出保障知識(shí)本體的構(gòu)建步驟。
(一)教學(xué)領(lǐng)域知識(shí)描述
本文以教學(xué)知識(shí)作為研究對(duì)象，該領(lǐng)域本體覆蓋范圍包括教學(xué)內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)、課件、例題、實(shí)驗(yàn)、習(xí)題練習(xí)、相關(guān)學(xué)習(xí)資源和常見問題解答等，昊煌煌對(duì)教學(xué)領(lǐng)域知識(shí)的描述，形成了教學(xué)領(lǐng)域知識(shí)內(nèi)概念的體系結(jié)構(gòu)劃分。
根據(jù)課程進(jìn)行分類，分成小學(xué)綜合課程、初中分科與綜合相結(jié)合課程、高中分科課程、本科課程等具體的學(xué)習(xí)階段，不同階段中包含具體的課程實(shí)例，如高中階段有語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、政治、英語(yǔ)、地理等課程。知識(shí)點(diǎn)是教學(xué)知識(shí)組成的基本粒子。在課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，具體分析學(xué)生的學(xué)情，選擇合適的教學(xué)策略，包括教學(xué)活動(dòng)程序、教學(xué)方法、教學(xué)組織形式和教學(xué)媒體等。知識(shí)點(diǎn)與課程可以按照教學(xué)策略組合成為新的課程。
通過對(duì)教學(xué)領(lǐng)域的分析和描述，參考已有的三種本體形式化定義，我們提出了教學(xué)知識(shí)本體的形式化定義:
教學(xué)知識(shí)本體，其中表示基本概念的集合，包括基本術(shù)語(yǔ)和原理等教學(xué)領(lǐng)域的概念集合，其中有表示教學(xué)領(lǐng)域中的概念;表示基本概念屬性的集合，例如學(xué)時(shí)的數(shù)量、知識(shí)點(diǎn)難易程度等等;表示基本概念之間以及不同層次的概念之間存在的關(guān)系集合，表示多個(gè)基本概念通過規(guī)則合并后而產(chǎn)生的較大粒度的概念，而表示基本概念與概念之間存在的關(guān)系，如因果關(guān)系、伴隨關(guān)系等等;表示關(guān)系的屬性集合，如關(guān)系的類型、對(duì)象和運(yùn)算性質(zhì)等;表示公理集，即教學(xué)內(nèi)容中課程之間的關(guān)系，以及科目?jī)?nèi)部知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系。
(二)教學(xué)知識(shí)本體的實(shí)現(xiàn)
按照前面分析的本體構(gòu)建方法分別使用Protege3.3.1的各相關(guān)控件完成五元組的編輯。概念和關(guān)系是本體的基本結(jié)構(gòu)，其中概念是核心。因?yàn)殛P(guān)系是用來描述領(lǐng)域概念間的關(guān)系，它本身也可以作為概念來實(shí)現(xiàn);屬性、公理和實(shí)例是依賴于某一概念的，所本體的構(gòu)建應(yīng)以概念為中心，從教學(xué)領(lǐng)域中的頂層概念開始，通過添加子類將概念逐一細(xì)化，一直到應(yīng)用所需要的粒度。
三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
(一)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架
知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)建模框架是指從建模的角度研究知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)開發(fā)方法。在研究者提出的各種各樣的知識(shí)庫(kù)建模框架中，KADS方法最具代表性。該方法把求解特定任務(wù)的知識(shí)劃分成三個(gè)不同的層次:領(lǐng)域?qū)�、推理層和任�?wù)層，分別對(duì)應(yīng)著知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的靜態(tài)視圖、功能視圖和動(dòng)態(tài)視圖。其中，領(lǐng)域?qū)影饲蠼鈫栴}所需要的特定領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)和對(duì)領(lǐng)域概念的描述(即領(lǐng)域本體一Domain Ontology，它包含特定領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí))。推理層指明了求解問題采用的方法，包含了推理步驟和領(lǐng)域知識(shí)在其中所起的作用(roles)。任務(wù)層則把所需要求解的問題分解成若干個(gè)子任務(wù)，并為每一個(gè)子任務(wù)確定目標(biāo)，同時(shí)明確對(duì)子任務(wù)的控制。
按照KADS知識(shí)庫(kù)建�？蚣埽谋緦⒔虒W(xué)本體知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)分為推理層、領(lǐng)域?qū)雍腿蝿?wù)層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，其中:
1.任務(wù)層。包括查詢請(qǐng)求輸人接口、查詢控制器、查詢結(jié)果輸出接口3個(gè)功能模塊，負(fù)責(zé)分析查詢請(qǐng)求，并對(duì)本體知識(shí)庫(kù)進(jìn)行查詢，然后將查詢結(jié)果返回給用戶。
2.領(lǐng)域?qū)�。包括本體編輯模塊和本體存儲(chǔ)模塊2個(gè)功能模塊。教學(xué)領(lǐng)域?qū)＜液烷_發(fā)人員通過本體編輯模塊建立保障本體知識(shí)庫(kù)，并對(duì)其更新和擴(kuò)充;本體存儲(chǔ)模塊主要實(shí)現(xiàn)本體知識(shí)庫(kù)的持久化。
3.推理層。包括規(guī)則轉(zhuǎn)換模塊、本體推理模塊和本體檢驗(yàn)?zāi)K3個(gè)功能模塊。負(fù)責(zé)本體規(guī)則的轉(zhuǎn)換，本體的推理以及本體一致性檢驗(yàn)。
(二)系統(tǒng)功能模塊實(shí)現(xiàn)
教學(xué)本體知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框架，其中Protege3.3.1可以提供可視化的本體編輯界面，可以方便地實(shí)現(xiàn)本體中的類、屬性、關(guān)系以及實(shí)例的編輯;使用Racer推理機(jī)和Protege結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了本體的推理、轉(zhuǎn)換和一致性檢驗(yàn)。
本文使用了語(yǔ)義開發(fā)工具Jena2實(shí)現(xiàn)了查詢控制器和本體存儲(chǔ)模塊。Jena2是一個(gè)Java開發(fā)工具包，它被廣泛地應(yīng)用于開發(fā)語(yǔ)義網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)。Jena由HP公司開發(fā)，Jena本體解析器包括三個(gè)部分，即對(duì)RDF的解析、對(duì)RDQL的查詢支撐以及對(duì)OWL的解析。從2004年2月起，Jena2.1版本開始支持OWL文檔的處理，為應(yīng)用開發(fā)者提供多種靈活地表現(xiàn)RDF圖的方案，這種方式允許用戶可以使用更高層接口或使用底層接口的不同方式訪問處理RDF圖數(shù)據(jù)。同時(shí)提供了一種RDF圖的最簡(jiǎn)單的視圖方式—三元組方式，主要方便了系統(tǒng)級(jí)程序開發(fā)人員處理數(shù)據(jù)，對(duì)基于RDFS和OWL推理是非常有用的。
Jena還提供了將RDF數(shù)據(jù)存人MySQL, HSQLDB,PostgreSQ , Oracle和Microsoft SQL Server等關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的接口，Model , Resource ,Query等接口可以用于訪問和維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)里的RDF數(shù)據(jù)，采用Jena2提供的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了本體存儲(chǔ)模塊。
四、結(jié)束語(yǔ)
知識(shí)的共享和重用是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，本文將本體技術(shù)引人到教學(xué)知識(shí)管理中，通過對(duì)教學(xué)領(lǐng)域知識(shí)內(nèi)容與特點(diǎn)的描述，刻畫出領(lǐng)域內(nèi)的概念體系;構(gòu)建了教學(xué)本體知識(shí)庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于本體的教學(xué)知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，這為現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)以及其他用戶提供了對(duì)教學(xué)領(lǐng)域知識(shí)一致、清晰、明確的理解，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)知識(shí)的共享和重用，也為教學(xué)知識(shí)管理提供了新的方法和思路。同時(shí)還存在兩個(gè)主要問題，一是知識(shí)本體的構(gòu)建方法多以手工標(biāo)注為主，其工作量非常大，開發(fā)困難;二是教學(xué)知識(shí)本體中類之間的關(guān)系還是有一定的缺陷，如何建立教學(xué)知識(shí)本體自動(dòng)更新完善體系非常重要，這些問題都有待進(jìn)一步研究下去。
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